Наиболее эффективным способом повышения несущений способности сжатых конструкций из каменной кладки является косвенное армирование, традиционно выполняемое стальными кладочными сетками. Нормативная методика расчета прочности кладки в зависимости от интенсивности армирования приведена в СП15.13330.2012 [5]. Критика данного подхода в части достоверности результатов не является задачей настоящей работы, но многочисленными исследованиями в области прочности каменных кладок [4] показано существенное занижение величин несущей способности элементов и конструкций. Это объясняется эмпирической структурой выражений методики, основу которой проф. Онищик Л.И. сформировал в 1930-х годах ХХ века [3], и недостаточной изученностью данного вопроса до настоящего времени.

С развитием и внедрением технологий производства композитных материалов на строительном рынке России появились стекло- и базальтопластиковые изделия – гибкие связи, анкеры, арматура и т.п. Данные материалы и изделия не являются принципиально новыми и ранее изучались с целью использования для армирования бетонных элементов [6, 7], но для повышения несущей способности каменных конструкций в составе кладочных сеток не применялись.

Целью настоящего исследования, выполненного с участием магистранта Нигметзянова И.Р., является оценка эффективности кладочных сеток из базальтопластиковых стержней, обладающих рядом преимуществ по отношению к стальным: коррозионная стойкость, большая прочность на растяжение и гибкость и т.п. Для реализации поставленной цели разработана программа исследований, предполагающая экспериментальную оценку прочности и трещиностойкости образцов каменной кладки, армированных композитными сетками с различной интенсивностью, определяемой «процентом армирования» – m.

Опытные образцы представляют собой столбы сечением 380*380 мм высотой 1000±50 мм. Толщины растворных швов не более 10 мм. В результате испытаний материалов каменной кладки: полнотелого керамического кирпича и цементно-песчаного раствора установлены их прочностные характеристики, соответствующие маркам М125 и М50 соответственно [1, 2]. Исследуемые сетки, склееные в пересечениях стержней расплавом полиэтилена, укладываются в горизонтальных швах в зависимости от требуемой интенсивности армирования через 1, 2 и 3 ряда кирпича. Кирпич перед укладкой увлажнялся в емкости с водой. Нагружение образцов кладки в возрасте 28-32 суток осуществлялось равномерно со скоростью 100-150 кН/мин с фиксацией моментов трещинообразования и разрушения.

В табл. 1 приведены результаты испытаний образцов каменной кладки серий 1-4, в том числе армированных исследуемыми сетками с диаметром стержней 3 мм и размером ячеек 80-85 мм (рис. 1). Образцы серии 5 армированы сетками из стержней диаметром 3,2 мм и шагом 50 мм, что соответствует значению m=0,422.

Рис. 1. Общие виды образцов кладки: а – подготовленного к испытаниям; б – испытанного; 3 – кладочной сетки, вырезанной по размеру сечения столбов

Таблица 1

Результаты испытаний образцов каменной кладки

В качестве характерных особенностей, отличающих композитные сетки от стальных [4], следует отметить меньшие величины несущей способности армированных кладок. Использование стальных сеток позволяет увеличить несущую способность элементов и конструкций до 3 раз при m=0,3-0,35, тогда как полученное повышение с m=0,422 составляет около 30 %. Причинами столь незначительного эффекта является податливое соединение стержней и относительно низкое значение модуля упругости Е=55000 МПа. В ходе разбора испытанных образцов установлено, что общее количество разорванных стержней сеток не превышает 10-15 %. Прочностной потенциал базальтового волокна не реализуется из-за недостаточности анкеровки в растворных швах кладки – стержни продергиваются.

В табл. 2 приведены усредненные показатели трещинообразующих и разрушающих напряжений по сериям испытанных образцов.

Таблица 2

Трещинообразующие и разрушающие напряжения

Зависимость относительных величин трещинообразующих и разрушающих напряжений от значений m приведена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимости величин трещинообразующих и и разрушающих напряжений от степени интенсивности косвенного армирования µ

По данным табл. 2 видно, что использование исследуемых сеток в качестве косвенного армирования каменных кладок позволяет повысить их трещиностойкость и прочность до 33 %. При этом диапазон значений m, соответствующих области эффективного использования исследуемых изделий, аналогичен данным полученным для стальных сеток Онищиком Л.И. [3] – при m>0,3 приращения величин несущей способности не достигаются.

В табл. 3 приведены величины расчетных сопротивлений армированной кладки экспериментальных образцов, полученные с использованием положений нормативной методики [5]. Расчетные сопротивления Rsk вычислены по формуле СП

Rsk = R+pµRs/100, (1)

где Rs=1200*0,6=720 МПа – для базальтопластиковых стержней ∅3,0; 3,2 мм.

Таблица 3

Сопоставление опытных и теоретических величин расчетного сопротивления кладки

* – при m <0,1 сечение рассчитывается как неармированное (п. 7.31 СП [5]), т.е. Rsk=R.

Величины Rskэксп. определены с учетом коэффициента надежности k=2 (табл. 15 [5]).

Очевидно, что теоретические значения прочности кладки в 2,26-2,87 раза занижены относительно экспериментальных показателей.

Учитывая стабильность величины отношения Rskэксп./ Rsk одним из путей компенсации данного недостатка методики СП [5] может быть введение поправочного коэффициента k2=2 в выражение (1), приобретающее вид

Rsk = k2 [ R+pµRs/100] (2)

На рис. 3 приведены графические зависимости, полученные с использованием предлагаемого подхода. Очевидно, что введение эмпирического коэффициента k2 позволяет существенно и обоснованно повысить расчетные значения прочности каменных кладок, армированных композитными сетками.

Рис. 3. Зависимости величин теоретических (1, 2) и экспериментальных (3) величин расчетного сопротивления армированной кладки от степени интенсивности косвенного армирования µ

Другим способом расчетной оценки прочностных свойств армированной кладки является использование методики, основанной на теории сопротивления анизотропных материалов при сжатии и учитывающей комплекс физических свойств материалов и геометрических характеристик элементов или конструкций [4]. При этом имеется возможность помимо определения прочности выполнять оценку трещиностойкости каменных кладок. На рис. 4 приведено сопоставление опытных и теоретических результатов, полученных по методике [4] показывающее удовлетворительную сходимость.

Рис. 4. Сопоставление опытных данных и теоретических результатов расчета прочности (а) и трещиностойкости (б)

В качестве выводов к описанным исследованиям следует отметить следующее:

1. Исследованные кладочные сетки из композитных материалов дают некоторый эффект с повышением прочности и трещиностойкости каменных кладок до 30-33 %. Столь незначительные результаты по сравнению с традиционными стальными сетками объясняются рядом конструктивных, возможно устранимых, несовершенств – малая механическая прочность и податливость стыков стержней, недостаточное адгезионное сцепление с кладочным раствором.

2. Использование нормативной методики СП15.13330.2012 применительно к оценке несущей способности кладок, в том числе армированных композитными сетками, приводит к занижению прочностных показателей в 2,26-2,87 раза.

3. Оценка точности методики на основе теории сопротивления анизотропных материалов при сжатии показала удовлетворительные результаты – расхождения не превышают 20-30 %. Расчетные предпосылки могут быть уточнены в результате целенаправленных исследований сцепления компонентов системы «кладочный раствор-композит».